Провода и кабели с резиновой изоляцией: виды, достоинства и недостатки, материалы, технология производства

Провода и кабели с резиновой изоляцией применяются для присоединения токоприемников и распределения электроэнергии во вторичных сетях электрического тока, а также имеют широкое применение в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте, в строительстве и быту.

Виды кабелей и проводов с резиновой изоляцией

Кабели, провода и шнуры сильного тока с резиновой изоляцией можно разделить на следующие группы:

• установочные кабели, провода и шнуры;
• силовые кабели;
• контрольные кабели;
• шланговые гибкие кабели и провода;
• морские кабели и провода;
• карротажные кабели;
• провода для электроподвижного состава;
• самолетные, автомобильные и тракторные провода.

Применение резиновой или пластмассовой изоляции вызывается не столько желанием получить гибкий кабель, сколько делается для облегчения и упрощения концевых разделок кабеля.

Применение свинцовой оболочки не дает возможности использовать повышенную гибкость изолирующего слоя кабеля и поэтому в тех случаях, когда нужен кабель повышенной гибкости, применяются не свинцовые, а шланговые оболочки из вулканизированной резины или пластмассы.

Высокая в среднем электрическая прочность резиновой изоляции в большинстве случаев не может быть использована из-за наличия слабых мест в изолирующем слое, что вызывает необходимость повышения толщины изолирующего слоя по сравнению, например, с изоляцией из пропитанной бумаги и ведет к перерасходу материалов защитных покрытий из-за увеличения диаметра кабеля.

Начальной стадией производства является скрутка многопроволочной жилы для проводов, кабелей и шнуров из луженой и нелуженой медной проволоки.

Технология производства проводов и кабелей с резиновой изоляцией

К основным технологическим операциям относятся изготовление резины и пластмассы и наложение их на жилу или провод. Изготовление резины включает пластикацию каучука и введение в него наполнителей (мел, тальк), смягчителей, усилителей и вулканизирующих веществ.

Наложение резиновой смеси на жилу производится или путем опрессований в горячем состоянии на червячных прессах или в холодном состоянии на специальных профилированных вальцах. Толщина резиновой изоляции зависит от величины сечения токопроводящей жилы и номинального напряжения провода или кабеля, а толщина шланговой оболочки определяется в зависимости от диаметра кабеля.

Толщина оболочки может изменяться от 1 до 8 мм для шлангов из резины и от 2 до 4 мм для винилитовых оболочек из полихлорвинилового пластиката.

Резиновая изоляция после наложения ее на жилу холодным или горячим способом вулканизируется для сообщения изолирующему слою необходимых физических свойств: механической прочности и упругости. Оболочки из пластмасс вулканизации не требуют.

Поверх слоя резиновой изоляции проводов накладывается оплетка из хлопчатобумажной пряжи, которая может быть пропитана битумным или иным составом или покрыта слоем нитролака (самолетные и автотракторные провода).

Остальные технологические операции, как скрутка в кабель и наложение защитных покровов, производятся так же, как и для остальных кабельных изделий.

Достоинства и недостатки резиновой изоляции

Высокие электрические и механические характеристики резиновой изоляции позволили осуществить ряд конструкций проводов и кабелей, работающих в исключительно трудных условиях эксплуатации (врубовые, карротажные, экскаваторные и др.).

Широкий диапазон значений удельного электрического сопротивления (от 10 13 до 10 17 омсм) и значительное изменение диэлектрической проницаемости в зависимости от состава резины и технологии ее изготовления обеспечивают возможность изготовления изоляции проводов и кабелей разного типа.

Наряду с положительными качествами у резиновой изоляции, имеются и отрицательные, из которых наиболее типичны следующие:

• наличие пузырьков и пленок воздуха в изолирующем слое;
• неустойчивость вулканизированной резины против воздействия озона;
• влияние механических усилий и натяжений на электрическую прочность изоляции;
• снижение механических и электрических характеристик резины при нагревании;
• неоднородность макроструктуры (наличие зерен наполнителей, загрязнений и пр.);
• заметная влагопроницаемость и влагопоглощение;
• малая стойкость против воздействия нефтепродуктов и минерального масла;
• потери механических свойств в зависимости от длительности нагревания в присутствии кислорода воздуха (тепловое старение).

Материалы резиновой изоляции и особенности технологии

Вулканизированная резина на натуральном и на синтетическом каучуке применяется для изготовления разнообразных видов кабельной продукции и поэтому играет значительную роль в кабельном производстве.

Наибольшие затруднения встречаются при использовании резиновой изоляции для изготовления проводов и кабелей переменного тока высокого напряжения, например для силовых кабелей на напряжение 6 и 10 кВ, подающих электроэнергию передвигающимся экскаваторам, драгам, торфяным машинам, электротрактору и т. п.

Недостаточная озоностойкость резины ведет к быстрому разрушению и резкому уменьшению срока службы такого кабеля. В этих случаях применяется особая озоностойкая резина, которая менее подвержена действию озона, а также в качестве защитного покрытия применяется лакировка оплетки.

Разработаны рецепты масло- и бензиностойкой резины, позволяющие изготовлять резиновую изоляцию карротажных кабелей, работающих в нефтяных скважинах при высокой температуре в особо тяжелых условиях. Высоковольтные провода зажигания работают при высокой напряженности электрического поля и в широком диапазоне температуры от -50 до +150°С.

В состав резиновой изоляции входят следующие основные материалы:

• Каучук — натуральный (НК) или синтетический (СК) ;
• Наполнители — мел, каолин, тальк и др.
• Смягчители — стеариновая кислота, парафин, вазелин, битум и др.
• Усилители улучшают механические характеристики резиновых смесей (сажа).

Количество каучука в резиновых смесях, применяемых в производстве проводов и кабелей, изменяется (по весу) в пределах от 25 до 60%, а общее количество всех наполнителей — от 70 до 35%/ Около 2% приходится на смягчители и около 1,5% на вулканизаторы (серу).

В настоящее время широко распространено применение для изоляции проводов и кабелей резины, вулканизация которой производится за счет серы, выделяющейся в процессе вулканизации при разложении некоторых сернистых соединений, например тетраметилтиурамдисульфид (тиурам). Такие » бессернистые » резины обладают повышенной теплостойкостью, а стало быть, и большим сроком службы. Механические свойства этой резины несколько ниже механических свойств резины, вулканизированной с серой.

Особо следует отметить, что бессернистые или, как их называют, теплостойкие резины не действуют разрушающе на медные жилы провода или кабеля и поэтому отпадает надобность в лужении проволоки и жил, идущих для изготовления проводов и кабелей с резиновой изоляцией.

Наряду с каучуками, как уже было сказано ранее, находят большое применение синтетические термопластичные материалы, называемые также эластомерами.

К числу их в первую очередь следует отнести весьма распространенный у нас пластикат из полихлорвиниловой смолы, который широко используется в кабельной промышленности, главным образом для изготовления низковольтных проводов и кабельных защитных покрытий (шлангов).

Полихлорвиниловая смола получается в результате полимеризации хлористого винила. Пластикат получается путем смешивания мелкораздробленной смолы с пластификаторами, стабилизатором и наполнителем.

В качестве наполнителей чаще всего применяются белая сажа, каолин, а в качестве пластификаторов — трикризилфосфат, дибутидфталат и др. Кроме полихлорвинила применяются также и сополимеры хлорвинила, например, с винилацетатом.

Основные недостатки полихлорвиниловой изоляции:

• недостаточные электрические свойства (недостаточное сопротивление изоляции и большое значение тангенса угла диэлектрических потерь), что объясняется наличием пластификаторов, а также легкостью отщепления иона С l в хлорвиниловой смоле;
• недостаточная морозостойкость.

При соответствующем выборе пластификаторов можно получить удовлетворительные электрические характеристики.

К положительным свойствам полихлорвинила относятся:

• большая стойкость против теплового старения;
• стойкость против воздействия масел и всяких смазок;
• высокая стойкость на истирание;
• водостойкость;
• стойкость по отношению к ряду растворителей, кислот и щелочей за исключением 93%-ной серной кислоты и ледяной уксусной кислоты; из растворителей неблагоприятно действует бензол, который снижает разрывную прочность пластиката, подвергнутого 12-дневному действию бензола, больше чем в 7 раз, а удельное объемное сопротивление — в 2—2,5 раза;
• невоспламеняемость.

Для изготовления высококачественной изоляции проводов и кабелей в настоящее время широко применяется полиэтилен . Это сравнительно мягкий материал (при нагревании до 70° С плотность его равномерно уменьшается), обладающий хорошей морозостойкостью и озоностойкостью и широко применяемый для изоляции как силовых (Кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена), так и высокочастотных проводов и кабелей.

Качество пластиката определяется не только свойствами основного полимера, но в значительной степени правильным подбором и качеством наполнителей и пластификаторов. Выбор наполнителей и пластификаторов является основной задачей для производственников, желающих получить требующиеся им свойства.

Все наиболее трудные задачи в техническом и экономическом отношении, например получение озоностойкой резины и т. п., решаются путем подбора основного пластиката или синтетического материала, обладающего требующимися свойствами.

При современном состоянии химии можно ожидать в ближайшем будущем появление ряда синтетических материалов, применение которых даст возможность полностью решить до сих пор нерешенные проблемы изоляции проводов и кабелей.

Источник

Электроматериаловедение — Кабели

Содержание материала

§ 23. Кабели с резиновой и пластмассовой изоляцией

Рис. 23. Сечения многопроволочных жил кабелей:
а — круглая неуплотненная жила, б — круглая уплотненная жила, в — секторная уплотненная жила, г — сегментная уплотненная жила
Силовые кабели с резиновой изоляцией применяются для передач» и распределения электрической энергии в установках напряжением 660 В переменного тока и до 1000 В постоянного тока. Кабели с резиновой изоляцией могут прокладываться на трассах с неограниченной разностью уровней прокладки. Кабели с резиновой и пластмассовой изоляцией выпускаются одно-, двух- и трехжильными с сечением жил от 1 до 500 мм2. Жилы состоят из проволок, изготовленных из отожженной меди (ММ), и имеют круглую форму (рис. 23). Каждая жила изолирована электроизоляционной резиной и прорезиненной тканью (фазовая изоляция).
Толщина резиновой изоляции составляет 1—5 мм.
В многожильных кабелях изолированные жилы скручены (свиты) друг с другом и заключены в общую защитную оболочку, которая изготовляется из свинца (рис. 24), полихлорвинилового пластиката * или из специальной светостойкой резины.
Промежутки между скрученными изолированными жилами внутри кабеля заполняют кабельной пряжей (междуфазное заполнение), пропитанной противогнилостным составом. С целью повышения электрической прочности кабелей на постоянное напряжение 3000-М 0 000 В на их скрученные изолированные жилы накладывают общую поясную изоляцию из резины. Поверх нее накладывается защитная оболочка из свинца, полихлорвинилового пластиката или из специальной резины.
Радиальная толщина свинцовой оболочки колеблется в пределах от 1,05 до 2,0 мм, а толщина полихлорвиниловой и резиновой оболочки находится в пределах от 2 до 4 мм. Чем больше диаметр кабеля под оболочкой, тем больше толщина защитной оболочки.
Для защиты кабелей они снабжаются еще броневым покровом из стальных лент или из плоских стальных проволок.

Рис. 24. Силовой кабель с резиновой изоляцией в свинцовой оболочке, небронированный (марки СРГ):
1 — медная многопроволочная жила, 2 — изоляция из вулканизированной резины. 3—покрытие (оболочка) из прорезиненной ленты, 4— поясная изоляция, 5 — свинцовая оболочка, 6 — междуфазное заполнение
Броневой покров накладывают на защитную оболочку из свинца, полихлорвинилового пластиката или специальной резины.
Между защитной оболочкой и броневым покровом (рис. 25) прокладывают слой из пропитанной кабельной бумаги или пряжи.

Рис. 25. Силовой кабель с резиновой изоляцией в свинцовой оболочке, бронированный стальными лентами с наружным защитным покровом (марка СРБ):
1 — медная многопроволочная жила, 2— изоляция из вулканизированной резины, 3 —покрытие (обмотка) из прорезиненной ленты, 4 — междуфазное заполнение, 5 — поясная изоляция, 6 — свинцовая оболочка,
7 — антикоррозионное покрытие, 8 — нижняя подушка, 9

броневой покров из стальных лент, 10 —наружный защитный покров из грубой пропитанной пряжи
Этот промежуточный слой (нижняя подушка) предохраняет защитную оболочку от возможных повреждений ее броневым покровом. Для защиты стальных броневых покровов от коррозии (ржавление) поверх них накладывают слой грубой пряжи (верхняя подушка), пропитанной водостойким битуминозным составом, в который введен антисептик (нафтенат меди). Последний обеспечивает устойчивость джутовой пряжи против разрушающего действия микроорганизмов при прокладке кабелей в земле.

Кабели с резиновой изоляцией

Особенности конструкции кабеля

В свинцовой оболочке, небронированный и без покровов из пряжи

Для прокладки в сухих помещениях при отсутствии механических воздействий на кабель

В свинцовой оболочке, бронированный двумя стальными лентами с наружным покровом из пропитанной пряжи

Для прокладки в земле и вне зданий при необходимости защиты кабеля от механических воздействий

В свинцовой оболочке, бронированный двумя стальными лентами без наружного покрова из пряжи

Для прокладки в сухих и сырых помещениях при необходимости защиты кабеля от механических воздействий

В поливинилхлоридной оболочке, небронированный и без покровов из пряжи

Для прокладки в сырых и особо сырых помещениях при отсутствии механических воздействий на кабель

В поливинилхлоридной оболочке, бронированный двумя стальными лентами с наружным покровом из пропитанной пряжи

Для прокладки в земле и вне зданий при необходимости защиты кабеля от механических воздействий

В поливинилхлоридной оболочке, бронированный двумя стальными лентами без наружного защитного покрова из пряжи

Для прокладки в сухих и сырых помещениях при необходимости защиты кабеля от механических воздействий

Основной сортамент кабелей с резиновой изоляцией и медными жилами приведен в табл. 15. На рис. 24 и 25 показаны типичные конструкции кабелей с резиновой изоляцией. В двухжильных небронированных кабелях при сечении жил до 6 мм2 включительно последние располагаются параллельно друг другу (рис. 26).
Толщина резиновой изоляции на жилах в кабелях составляет 1—5 мм. Чем больше сечение жилы и чем выше номинальное напряжение кабеля, тем больше толщина резиновой изоляции.
Широкое применение получили кабели с алюминиевыми жилами с резиновой изоляцией жил (марки этих кабелей: АСРГ; АСРБГ; АСРБ; АВРГ; АВРБГ; АВРБ и др.). Конструкции этих кабелей аналогичны конструкциям кабелей с медными жилами.

Кроме кабелей с резиновой изоляцией жил, выпускаются кабели с пластмассовой изоляцией: полиэтиленовой или из полихлорвинилового пластиката . Кабели с пластмассовой изоляцией жил изготовляются на напряжения от 660 до 35 000 В (35 кВ). У всех кабелей на напряжение от 6000 В и выше на каждую изолированную жилу накладывают экран — оболочку из полупроводящей резины, бумаги * или из медной фольги.

*Полупроводящая бумага наполненная ламповой сажей.

Рис. 26. Силовой кабель с резиновой изоляцией в оболочке из полихлорвинилового пластиката (марка ВРГ):
1 — однопроволочные жилы, 2 —изоляция жил из вулканизированной резины, 3 — оболочка из полихлорвинилового пластиката
Толщина пластмассовой изоляции жил кабелей напряжением до 1 кВ составляет 1,6—2,0 мм, на 6 и 10 кВ — 3,5—5,5 мм; на 20 кВ — 7 мм и 35 кВ — 12 мм.
Кабели на напряжения 10, 20 и 35 кВ кроме полупроводящего или проводящего (медная фольга) экрана, наложенного на изоляцию жилы, имеют еще экран, наложенный непосредственно на жилу кабеля. Это направлено на выравнивание напряженностей электрического поля в слое изоляции каждой жилы, а следовательно, к повышению электрической прочности изоляции кабеля.
Жилы кабелей с пластмассовой изоляцией (полиэтилен ВД или полихлорвиниловой пластикат), скрученные друг с другом, заключены в оболочку из полихлорвинилового пластиката, полиэтилена, алюминия или в оболочку из стальной гофрированной ленты. На оболочки некоторых конструкций кабелей накладываются еще броневые покрытия из стальных лент. Они предназначены для защиты кабелей от возможных механических повреждений (прокладка кабелей в земле и по стенам зданий). Кабели с пластмассовой изоляцией могут использоваться при температуре окружающей среды: от —50 до +50°С, а длительно допускаемая температура самого кабеля + 70° С. Кратковременная максимально допустимая температура жил кабелей с полиэтиленовой изоляцией +120° С, а жил с полихлорвиниловой изоляцией + 150° С.
Кабели с пластмассовой изоляцией жил, как и кабели с резиновой изоляцией, предназначены для стационарной прокладки на трассах с неограниченной разностью уровней, так как в них отсутствует какая-либо пропиточная жидкость, склонная к перетеканию.

§ 24. Кабели с бумажной изоляцией

Наибольшее применение получили кабели с бумажной пропитанной изоляцией как наиболее дешевой и обеспечивающей высокую электрическую прочность.
Силовые кабели с бумажной пропитанной изоляцией выпускают на напряжения 1, 3, 6, 10, 20, 35 кВ и выше. Здесь рассматриваются широко применяемые кабели до напряжения до 35 кВ.
1 — медная многопрополочная жила, 2 — бумажная пропитанная изоляция, 3 — междуфазное заполнение, 4 —поясная изоляция, 5 — свинцовая оболочка, б — защитный покров (нижняя подушка), 7 —броневой покров из стальных лент, 8 — верхний защитный покров из грубой пропитанной пряжи

Рис. 27. Силовой кабель с бумажной изоляцией жил в свинцовой оболочке, бронированный (марка СБ):
Токопроводящие жилы кабелей изготовляют из мягкой медной проволоки (марки ММ), а также из алюминиевой мягкой или твердой проволоки (марки AM и АПТ). Как и в кабелях с резиновой изоляцией, токопроводящие жилы сечением до 16 мм2 включительно изготовляют однопроволочными. Начиная с сечения 25 мм2 и выше, жилы кабелей изготовляют многопроволочными (рис. 27 и 28)*.

*Однопроволочные медные жилы изготовляют сечением до 16 мм2 включительно; однопроволочные алюминиевые жилы — сечением до 50 мм2 включительно.

Это необходимо для обеспечения определенной гибкости кабелей.
Сечения токопроводящих жил могут иметь круглую, сегментную или секторную формы (см. рис. 23).
В одножильных кабелях применяют жилы круглой формы, в двухжильных — круглые или сегментные, а в трех- и четырехжильных кабелях — секторные.

Рис. 28. Силовой кабель с бумажной изоляцией жил в алюминиевой оболочке, бронированный (марка АБ):
1 — медная многопроволочная жила, 2 — бумажная пропитанная изоляция, 3— междуфазное заполнение, 4— поясная изоляция, 5 — алюминиевая оболочка, 6 — защитный покров (нижняя подушка), 7 — броневой покров из стальных лент,8 — верхний защитный покров из грубой пропитанной пряжи

Сегментная и секторная формы жил дают возможность наиболее плотно расположить их в кабеле, что обеспечивает меньший объем кабеля. С этой же целью круглые жилы делают уплотненными (см. рис. 23, б). Каждая из жил в кабеле имеет изоляцию, состоящую из нескольких слоев кабельной бумаги толщиной 0,125 или 0,175 мм, пропитанной вязким электроизоляционным составом, состоящим из минерального масла и растворенной в нем канифоли. Для крутонаклонных и вертикальных прокладок применяют кабели с бумажной изоляцией жил, но с обедненной пропиткой или пропиткой их вязкими составами . При обедненной пропитке бумажной изоляции кабеля изоляционный пропиточный состав находится только в порах и капиллярах бумаги, а излишки его удаляются. Это исключает стекание изоляционного пропиточного состава при вертикальной или крутонаклонной прокладке кабеля.
Толщина бумажной изоляции жил в многожильных кабелях лежит в пределах от 0,75 до 2,4 мм — для кабелей на напряжение до 1 кВ и от 2 до 2,75 мм — для кабелей на напряжение до 10 кВ с поясной изоляцией. Толщина изоляции жил в одножильных кабелях и в кабелях с отдельно освинцованными жилами находится в пределах от 1,2 до 2,4 мм — для кабелей на напряжение от 1 до 6 кВ и от 3,5 до 7,0 мм — для кабелей на 10 и 20 кВ. У кабелей па напряжение 35 кВ толщина слоя изоляции жилы равна 9—11 мм. Наложение изоляции на жилу производится посредством многократной обмотки жилы бумажными лентами шириной от 6 до 35мм. В многожильных кабелях верхняя бумажная лента каждой жилы имеет отличительную окраску, что необходимо для распознавания фаз при разделке кабелей.
Изолированная жила одножильного кабеля или скрученные жилы многожильных кабелей заключают в герметическую оболочку из свинца или алюминия (см. рис. 27 и 28). Промежутки между скрученными жилами заполняют жгутами из пропитанной бумаги (междуфазное заполнение). В кабелях на напряжение до 10 кВ включительно на скрученные друг с другом изолированные жилы накладывают еще поясную изоляцию, поверх которой располагают герметическую оболочку из свинца или алюминия. Для защиты герметических оболочек от возможных механических повреждений на последние накладывают броневой покров из стальных лент или стальных проволок. Броневой покров накладывают не непосредственно па свинцовую или алюминиевую оболочку, а на подушку, состоящую из последовательно наложенных (на герметическую оболочку) слоев бумаги и кабельной пряжи, пропитанных битумными и другими составами. В кабелях, предназначенных для прокладок в помещениях с химически агрессивными средами (кабели марок: СБв, СКв, СПв и др.), подушку под броню изготовляют из последовательно наложенных слоев пропитанной бумаги и лент полихлорвинилового пластиката.
Для защиты броневого покрова от коррозии на него накладывают защитный покров из грубой кабельной пряжи, пропитанной противогнилостным битуминозным составом. На броневой покров кабелей, предназначенных для прокладки в пожароопасных помещениях и шахтах, защитный покров из пропитанной пряжи не накладывают (кабели марок: СБГ, СПГ и др.). Кабели, предназначенные для прокладки в местах, где механические повреждения исключаются, не снабжаются броневыми покровами (кабели марок СГТ, АСГТи др.).
Кабели на напряжения 20 и 35 кВ изготовляют с отдельно освинцованными жилами (рис. 29), т. е. на каждую из трех изолированных жил круглого сечения накладывают свинцовую оболочку. Освинцованные жилы скручивают друг с другом, а промежутки между ними заполняют пропитанной кабельной пряжей. На три освинцованные скрученные жилы накладывают несколько слоев пропитанной хлопчатобумажной ленты (нижняя подушка). Затем кабель покрывают броневым покрытием из стальных лент, защищенных от коррозии пропитанной кабельной пряжей (защитный покров).

Рис. 29. Силовой кабель с бумажной изоляцией с отдельно освинцованными жилами (марка ОСБ):
1 — круглая медная многопроволочная жила, 2 — бумажная пропитанная изоляция, 3 — свинцовая оболочка жилы, 4 — междуфазное заполнение, 5 — защитный покрои (нижняя подушка), 6 — броневой покров из стальных лент, 7—верхний защитный покров из грубой пропитанной пряжи

Свинцовые оболочки, наложенные на каждую из трех жил кабеля, являются электрическими экранами. Они обеспечивают более равномерное распределение силовых линий электрического поля в изоляции каждой жилы в радиальном направлении и усиливают теплоотвод. Благодаря этому повышается электрическая прочность, а следовательно, и надежность работы кабелей.
Сечения жил у одножильных кабелей находятся в пределах от 2,5 до 800 мм2, а у многожильных — от 2,5 до 240 мм2.
В табл. 16 приведен сортамент нескольких кабелей с бумажной изоляцией в свинцовой оболочке на напряжения до 35 кВ включительно.
Кроме кабелей в свинцовой оболочке, выпускаются кабели в алюминиевой защитной оболочке (кабели марок: АБ; АБГ; АПГ и др.).
Таблица 16
Кабели с бумажной пропитанной изоляцией в свинцовой оболочке

Источник

Марка кабеля,